风靡美洲大陆的超级日全食究竟蕴藏着哪些未解之谜？

2017 年 8 月 22 日 中科院物理所 LISA GROSSMAN

科学无国界

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作者：LISA GROSSMAN

翻译：Propagator

审校：山寺小沙弥

当天空不再光明，当大地不再温暖，当星星在白昼闪耀——别担心，这不是末日降临，从东海岸到西海岸，无数美国人民将见证这一奇观，近百年来首次见证如此大范围的日全食现象。有幸见过日全食的人们感慨，目睹太阳在天空倏然消失仿佛置身异世界。如此天文奇观让狂者谦卑，让信徒虔诚，更有甚者，它还能改变历史的行程。

8.21日食将会在北美大陆上陆续出现，时间长达一个半小时。地图上黄色与橙色阴影部分是可以观测到日全食的区域。地图的其余部分只能看到日偏食。

但是，当月球在8月21号从太阳面前掠过时，科学工作者们无暇感慨，他们得抓住日食提供的研究机会。

“任何人都会被那瑰丽的黑暗天空所吸引，”IAU库卡蒙加支部的帕德玛·费舍尔说道，他将在卡本代尔观测这次日食，“但人们往往沉溺于这份美丽，却忽视我们那些微小的科学工作”

科学家们研究的许多问题都与太阳外围那甜甜圈一样的空间有关，而这些“甜甜圈”，也就是太阳的内冕，只有在日全食时才方便观测。内冕是太阳稀薄的大气层的一部分，从太阳表面一直延伸到2个半太阳半径的范围。而大部分太阳物理学现象都出现在内冕上：太阳风起源于此、圈状磁结构在这里扎根、日冕物质抛射和耀斑等空间天气在此处发芽。

借助遮光片挡住太阳的光亮后，太空望远镜如NASA的“索贺”太阳探测器，可以持续不断地观测太阳外冕。但是望远镜很难保持稳定，如果遮光片与太阳在望远镜视野中的尺寸完全相同，遮光片的任何平移和抖动都会漏过太阳光子，这些光子会破坏观测数据甚至损伤望远镜。

还有一个问题是衍射，即光线在遮光片边缘绕射传播。如果遮光片太小，光线完全可以绕过遮光片衍射到相机正中间，一叶可障目而不足以蔽日。阳光在大气中四处瑞利散射——正因如此天空看起来是蓝色的——白天无处不在的明亮日光掩盖了几乎所有的日冕信息。

为了降低衍射光的影响，望远镜都会加大遮光片尺寸，一般是太阳像斑半径的两倍。这样才能保证数据和望远镜不受损坏。但这样也就遮挡了绝大部分的内冕。

而月球同志帮我们解决了这些困难，她远在大气层之外，更幸运的是，她尺寸不大不小，恰到好处地挡住了太阳。“人类再也找不到比月亮更好的遮光片了”，威廉姆斯学院的杰·帕萨乔夫说道，他也将观测本次日食，这已经是他第34次观测日全食了。

上面这些大概解释了为何日食在科学研究上如此特别，那么21号的这次日食有什么特殊之处呢？

上图为2002年的“索贺”太阳探测器拍摄到的日冕物质抛射。但能够观测太阳表面附近的遮光片只有日全食的月球能做到。

日全食在地球上大概每18个月可以见到一次，从时间上看似乎也不算特别稀罕。但大多数日全食很难实现有效全面地观测，当太阳被完全遮蔽时，它不是在遥远的大洋上空，就是被云层挡得一干二净。

这次日全食却在整片北美大陆上提供了总计93分钟的可观测时间（当然每个地方只有2分钟）。这就意味着地面的观测站有更大的可能在清澈无云的天空下观测本次日全食。这也为研究者提供了一次难得的机会，可以在太阳跨越俄勒冈到南卡罗莱纳的这一个半小时里，仔细欣赏和记录日冕在太阳表面舞动摇摆。

当月球的阴影在21号洒在北美大陆上时，还会有一批无线电爱好者打开他们的接收器——他们可不担心会不会下雨，因为他们关注的并非太阳本身，而是我们头上几百公里处的电子壳层，它的散射照亮了天空，它传递着电波信号，它守护着所有地球生命的延续。

阳光会把电子从大气层中的原子上剥开，形成带电的电离层。

这部分大气层，也就是所谓的电离层，可以吸收太阳发出的极端紫外辐射，保护地面上的生命免受损伤。“电离层是地球存在生命的原因”，波士顿大学的物理学家约书亚·塞梅特如是说道。

电离层同样也是各种瑰丽现象的舞台，比如北极光就是星际空间中的各种带电材料略过大气层留下的痕迹。此外，电离层对于GPS信号和各类电波通讯也非常重要。

电离层是由太阳放射出的电子、离子等粒子，在地球上空75~1000公里处形成的。在电离层内飘荡着各种正负电荷的离子，可以用于传递电磁信号。

然而在没有阳光直射时，这部分电离层会停止电离。电子重新回到它们遗弃的原子分子那里，中和电离层的电荷。由于自由电子减少，电离层反射电磁信号的特性发生变化，就像一面扭曲的镜子。

电离层在阳光照射下，电子被从原子上剥离，释放出红绿色闪光。上图是国际空间站拍摄的电离层中的辉光。

目前我们只是粗略地了解这种现象，但这次日全食为研究者们提供了一次近乎实时地观测这一充放电过程的机会。

正如乔治梅森大学的吉尔·尼尔森所说：“这次日食让我们得以观测电离层由亮到暗再到亮的快速转变。”

华盛顿美国海军实验室的约瑟夫·胡巴和道格拉斯·德罗布在7月17号的《地理研究快报》上发布了一些关于电离层的预测。他们认为，在高空，电子的温度应当会降低15%。在地表上空150~350公里的高空之间，由于自由漂浮电子与原子重新结合，其数密度会降低为原来的一半。漂浮电子密度的降低产生的扰动会顺着地磁场线传播很远的距离，即使远在南美洲的角落里，也能探测到日食产生的涟漪在电离层中的回响。

胡巴和德罗布的预测结果，黑色线条为正常的电离层电子密度变化曲线，红色线条为日食后的电子密度变化曲线。

以往的日食实验表明，电离度并非简单地倏然降低再疾速上升。观测者所看到的电离程度取决于他和月球在地表上的投影的距离有多远。

尼尔森和她的同事们开展了一项名为“日食小队”的计划，他们动员了美国各地的志愿者在太阳被暂时遮蔽时收集电离层的数据。

他们给约150名日食小队成员提供了一个简易的无线电接收器装配包，这种接收器可以连接到智能手机的耳机插孔上。在项目的装配包告罄后，其他成员则不得不自己装配接收器了。在8月21日，志愿者们将接收无线电发射机的信号，并在日食全程记录的信号强度变化。

日食小队用到的自制无线电接收器

尼尔森并不确定“日食小队”项目会得到什么样的数据，数据可能与接收人员的位置有关。“我们需要找出数据的规律所在”，她说。“但我不知道会有怎么的数据在等着我们。”

至于波士顿大学的塞梅特和他的同事，他们主要研究的是日食对GPS信号的影响。他们也希望有朝一日能用手机测试日食对电离层的影响。

在今年的日食中，他们将会用现存的GPS接收器网络观测无线电信号。并将其与一般手机中类似的小型廉价 gps 接收机进行散置。日食中的月球阴影将会在电离层上产生一个大冷斑，掀起一阵在电离层中传播的电磁波浪。这波浪会在电离层上留下印记，并影响到GPS信号。他们团队希望能将高质量的数据与难以处理的数据集合起来，为有朝一日将这项实验推广到手机用户中打下基础。

“这项计划的最终版本是借助全球20亿智能手机的力量，”塞梅特说道，在不远的将来，每个手机用户都会成为一个全球化大望远镜的节点。

这项计划如果真能实现，可能会成为无数人的拯救天使。在2011年的日本福岛海岸地震，就曾经观测到地震源辐射出类似的大气波动。“地震中的某些大气层现象与日食时很相似，”塞梅特说道。理解了电离层的这种波动，也许有朝一日我们能成功预言地震。

2011年日本地震时电离层上的波动

太阳控制不住它自己，一直在持续不断地向外喷射时速高达数百公里的带电粒子流，汹涌的高速粒子流在行星间横冲直撞。

这种带电粒子弹幕就是所谓的太阳风，它掌握着太阳系内生命体的生杀大权，被认为是剥夺火星大气层的凶手。地球也曾面临同样的命运，但地磁场引导着太阳风中的带电粒子在星球外盘旋游荡，保住了地球的勃然生机。

太阳风在地球大气层引发的极光

太阳风的行为特性还有很多不解之谜，它起源于太阳表面与大气接壤的区域，和地球上的风儿类似，太阳风也是捉摸不定的——在不同区域的风速大相径庭。在太阳大气，即日冕最暗的地方，太阳风风速最快——能达到每秒800公里。而在宽广尖厉的冕流处，太阳风的风速却降低到大概300公里每秒。科学家们一直没能找到太阳风如此善变的原因。

8月21号的日食给天文学家们提供了一个研究太阳风与内冕相互作用机制的绝好机会。NASA哥达德太空基地的奈特·格普尔斯瓦米就是研究大军中的一员，他将和同事们一道，使用新型偏振计探测太阳喷射出的电子速度与温度。探测范围将从太阳表面开始，逐步扩展到太阳半径的8倍也就是560万公里远处。